测试系统的特性精选文档.ppt
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1、测试系统的特性测试系统的特性本讲稿第一页,共六十页第二章 测试系统的特性主要研究内容:主要研究内容:1.测试测试系系统统及其性质及其性质 2.测试测试系系统统静静态态、动动态态特性特性3.不失真测试的条件不失真测试的条件4.测量误差的相关概念测量误差的相关概念本讲稿第二页,共六十页第一节 测试系统及其主要性质一、测试系统一、测试系统 1.1.概念概念 为完成某种测试目的而采用的所有的测试仪器、设备为完成某种测试目的而采用的所有的测试仪器、设备的总体。的总体。系统失真系统失真简单简单测试测试系系统统U、I、R、L、C信息转换信息转换信息提取信息提取复杂测试系统复杂测试系统本讲稿第三页,共六十页测
2、试系统与输入输出的关系测试系统与输入输出的关系2.2.测试系统与输入、输出的关系测试系统与输入、输出的关系 无无论论测测试试装装置置复复杂杂度度如如何何,都都可可把把它它作作为为一一个个系系统统来来看看待待。问问题题简简化化为为处处理理输输入入量量x(t)、测测试试系系统统传传输输特特性性h(t)和和输输出出y(t)三者之三者之间间的关系。的关系。测试系统(对信号的传输特性)输入(激励)x(t)输出(响应)y(t)本讲稿第四页,共六十页系统分析的三类问题:系统分析的三类问题:本讲稿第五页,共六十页3 3.测试系统基本要求测试系统基本要求 理想的测试系统应该具有理想的测试系统应该具有单值的单值的
3、、确定的确定的输入输出输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系线性关系最佳。最佳。xy线性线性xy线性线性xy非线性非线性本讲稿第六页,共六十页二、理想测试系统二、理想测试系统-线性系统线性系统 线性线性系系统输统输入入x(t)和和输输出出y(t)间间的关系可以用常系数的关系可以用常系数线线性微分方程来描述:性微分方程来描述:常系数线性微分方程中的系数为常系数线性微分方程中的系数为常数常数,所描述的是,所描述的是
4、线性时不变系线性时不变系统统。本讲稿第七页,共六十页线性系统性质:线性系统性质:a)叠加性叠加性 系系统统对对各各输输入入之之和和的的输输出出等等于于各各单单个个输输入入的的输输出出之之和和 即即:若若 x1(t)y1(t),x2(t)y2(t)则则 x1(t)x2(t)y1(t)y2(t)b)比例性比例性 常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍,即常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍,即:若若 x(t)y(t)则则 kx(t)ky(t)本讲稿第八页,共六十页本讲稿第九页,共六十页本讲稿第十页,共六十页c)微分性微分性 系系统对统对原原输输入信号的微分等于原入信号的微分等于原
5、输输出信号的微分,出信号的微分,即即:若若 x(t)y(t)则则 x(t)y(t)d)积积分性分性 当当初初始始条条件件为为零零时时,系系统统对对原原输输入入信信号号的的积积分分等等于于原原输输出出信号的信号的积积分,分,即即:若若 x(t)y(t)则则 x(t)dt y(t)dt 本讲稿第十一页,共六十页e)频率保持性频率保持性 若若系系统统的的输输入入为为某某一一频频率率的的谐谐波波信信号号,则则系系统统的的稳稳态态输输出出将将为为同同一一频率的谐波信号,即频率的谐波信号,即 若若 x(t)=Acos(t+1)则则 y(t)=Bcos(t+2)线线性系性系统统的的这这些主要特性,特些主要特
6、性,特别别是是叠加原理叠加原理和和频频率保持率保持性性,在,在测测试试工作中具有重要作用。工作中具有重要作用。本讲稿第十二页,共六十页第二节 测试系统的静态特性一、相关概念一、相关概念 静态特性(静态特性(Static characteristicsStatic characteristics):输入量:输入量和输出量不随时间变化或变化缓慢时,输出与输入之和输出量不随时间变化或变化缓慢时,输出与输入之间的关系。可用代数方程表示:间的关系。可用代数方程表示:表明:理想的静态量的测试系统其输出与输入之间呈表明:理想的静态量的测试系统其输出与输入之间呈 单调、线性比例关系,即斜率单调、线性比例关系,
7、即斜率S S是常数。是常数。本讲稿第十三页,共六十页定度曲定度曲线线:表示静:表示静态态特性方程的特性方程的图图形称形称为测试为测试系系统统的定度曲的定度曲线线(特性曲(特性曲线线、校准曲、校准曲线线、标标定曲定曲线线)。)。习惯习惯上,定度曲上,定度曲线线是以是以输输入入x作作为为自自变变量,量,对应输对应输出出y作作为为因因变变量,在直角坐量,在直角坐标标系中系中绘绘出的出的图图形。形。本讲稿第十四页,共六十页静态特性的定量指标:静态特性的定量指标:1、非线性度非线性度 定定度度曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。非线性度非线性度=B/A100%本讲
8、稿第十五页,共六十页端基直线和独立直线端基直线和独立直线BB拟合直线的确定方法:拟合直线的确定方法:端基直线端基直线:通过测量范围上下限点的直线:通过测量范围上下限点的直线独立直线独立直线(最小二乘直线):拟合直线与定度曲线间偏差(最小二乘直线):拟合直线与定度曲线间偏差B的平方和最小。的平方和最小。本讲稿第十六页,共六十页2、灵敏度、灵敏度 当当测测试试装装置置的的输输入入x有有一一增增量量x,引引起起输输出出y发发生生相相应应的的变变化化y时时,则则定定义义:S=y/x 灵敏度反映了测试系统对输入量变化灵敏度反映了测试系统对输入量变化反应的能力,灵敏度愈高,测量范围反应的能力,灵敏度愈高,
9、测量范围往往愈小,稳定性愈差。(合理选取)往往愈小,稳定性愈差。(合理选取)线性系统的灵敏度为常数。线性系统的灵敏度为常数。本讲稿第十七页,共六十页3.分辨力分辨力 测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。数字测试系统:输出显示系统的最后一位所代表的输入量;数字测试系统:输出显示系统的最后一位所代表的输入量;模拟测试系统:指示标尺最小分度值的一半模拟测试系统:指示标尺最小分度值的一半本讲稿第十八页,共六十页4、回程误差、回程误差 测测试试装装置置在在输输入入量量由由小小增增大大和和由由大大减减小小的的测测试试过过程程中中,对对于于同同一一个个输输入入
10、量量所所得得到到的的两两个个数数值值不不同同的的输输出出量量之之间间差差值值最最大大者者为为hmax,则定义回程误差为,则定义回程误差为 回程误差回程误差=(hmax/A)100%5、漂移、漂移 测试测试装置的装置的输输入量不入量不变变,一段,一段时时间间后,后,仪器仪器内部温度内部温度变变化或其化或其他不他不稳稳定因素使定因素使输输出量出量发发生生变变化。化。本讲稿第十九页,共六十页第三节第三节 测试系统的动态特性测试系统的动态特性定义:定义:输入量随时间变化时,其输出随输入而变化的关系。输入量随时间变化时,其输出随输入而变化的关系。为为了了研研究究和和运运算算的的方方便便,常常通通过过拉拉
11、普普拉拉斯斯变变换换在在复复数数域域S S中中建建立立其其相相应应的的传传递递函函数数,并并在在频频域域中中用用传传递递函函数数的的特特殊殊形形式式频频率率响响应应,在在时时域域中中用用传传递递函函数数的的拉拉普普拉拉斯斯逆逆变变换换权权函函数数(脉脉冲冲响响应应函函数数),以以利利于于更更简简便便、明明了了地地描描述述测测试试系系统统的动态特性。的动态特性。本讲稿第二十页,共六十页一、传递函数一、传递函数1.定义:定义:在在输入量输入量x(t)、输出量输出量y(t)及其各及其各阶导阶导数的数的初始初始值为值为零零,系系统输统输出信号的拉氏出信号的拉氏变换变换Y(s)与与输输入信号的拉氏入信号
12、的拉氏变换变换X(s)之比之比。其中其中s=+j为拉普拉斯算子为拉普拉斯算子本讲稿第二十一页,共六十页对微分方程进行拉氏变换,可得对微分方程进行拉氏变换,可得:根据拉根据拉氏氏变换的微分性质变换的微分性质:所以所以本讲稿第二十二页,共六十页2.2.传递函数的性质:传递函数的性质:H(s)H(s)描述了描述了系统本身系统本身的动态特性,与输入信号的动态特性,与输入信号x(t)x(t)及系统的初始及系统的初始状态无关。状态无关。H(s)H(s)只反映系统传输特性,而和系统具体物理结构无关。即同一形式只反映系统传输特性,而和系统具体物理结构无关。即同一形式的传递函数可表征具有相同传输特性的不同物理系
13、统。的传递函数可表征具有相同传输特性的不同物理系统。H(s)H(s)的分母取决于系统的结构,分子则表示系统与外界之间的分母取决于系统的结构,分子则表示系统与外界之间的关系,如输入(激励)点的位置、输入方式、被测量及测的关系,如输入(激励)点的位置、输入方式、被测量及测点布置情况有关。分母中点布置情况有关。分母中s s的幂次的幂次n n代表系统微分方程的阶数。代表系统微分方程的阶数。本讲稿第二十三页,共六十页二、频率响应函数二、频率响应函数1.1.由傅里叶变换求由傅里叶变换求 当系统的初始条件为零时当系统的初始条件为零时,输出,输出y(t)y(t)的傅立叶变换的傅立叶变换Y(j)Y(j)和输入和
14、输入x(t)x(t)的傅里叶变换的傅里叶变换X(j)X(j)之比称为系统的频率响应之比称为系统的频率响应函数,记为函数,记为H(j)H(j)或或H()H()。对微分方程进行傅对微分方程进行傅里里叶变换,可得叶变换,可得频率响应函数是传递函数的特例。频率响应函数是传递函数的特例。本讲稿第二十四页,共六十页2.2.由正弦输入求由正弦输入求频率响应函数是在正弦信号的激励下,测量装置达到频率响应函数是在正弦信号的激励下,测量装置达到稳态后稳态后输出和输入之间的关系。输出和输入之间的关系。根据线性系统的频率保持特性,根据线性系统的频率保持特性,将输入、输出的各阶导数代入线性微分方程,可得将输入、输出的各
15、阶导数代入线性微分方程,可得本讲稿第二十五页,共六十页3.频率响应特性曲线频率响应特性曲线H(j)一般为复数,写成实部和虚部的形式:一般为复数,写成实部和虚部的形式:本讲稿第二十六页,共六十页三、脉冲响应函数三、脉冲响应函数 若若输输入入为单为单位脉冲位脉冲(t),因,因(t)的拉氏的拉氏变换为变换为1,即,即X(s)=1。故。故H(s)=Y(s)/X(s)=Y(s)。拉氏逆拉氏逆变换变换后,有后,有y(t)=h(t),h(t)即即为为装置的脉冲响装置的脉冲响应应函数或函数或权权函数函数。本讲稿第二十七页,共六十页测试系统动态特性描述的结论:测试系统动态特性描述的结论:u在复在复频频域用域用传
16、递传递函数函数H(s)来描述;来描述;u在在频频域用域用频频率响率响应应函数函数H()描述;描述;u在在时时域可用微分方程、脉冲响域可用微分方程、脉冲响应应函数函数h(t)描述描述。其中其中传递传递函数、函数、频频率响率响应应函数、脉冲响函数、脉冲响应应函数三者函数三者之之间间存在着一一存在着一一对应对应的关系。的关系。h(t)和和传递传递函数函数H(s)是一是一对对拉普拉斯拉普拉斯变换对变换对;h(t)和和频频率响率响应应函数函数H()又是一又是一对对傅傅里叶里叶变换对变换对。本讲稿第二十八页,共六十页四、环节的串联和并联四、环节的串联和并联本讲稿第二十九页,共六十页第四节第四节 一阶系统的
17、频率响应特性一阶系统的频率响应特性本讲稿第三十页,共六十页一阶系统微分方程的通式为即:则本讲稿第三十一页,共六十页拉普拉斯变换后得:则一阶系统传递函数为本讲稿第三十二页,共六十页频率响应函数为:本讲稿第三十三页,共六十页一一阶系系统的幅的幅频和相和相频特性曲特性曲线本讲稿第三十四页,共六十页练习练习1.1.用一个时间常数为用一个时间常数为0.50.5秒的一阶装置去测量周期分别为秒的一阶装置去测量周期分别为 1 1秒、秒、2 2秒和秒和5 5秒的正弦信号秒的正弦信号,问幅值衰减将各是多少?问幅值衰减将各是多少?2.2.本讲稿第三十五页,共六十页作业:作业:1.2.本讲稿第三十六页,共六十页第三节
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